金能智++張其斌++者建武++孫一桐++楊博超

摘 要：頻發(fā)的流感或其并發(fā)癥嚴(yán)重影響人類的正常生活，傳統(tǒng)的流感疫苗對(duì)新出現(xiàn)的病毒無(wú)效，亟需這方面治療藥物的出現(xiàn)。流感病毒神經(jīng)氨酸酶（NA）是抗流感病毒的重要靶點(diǎn)，而GPGPU架構(gòu)的設(shè)計(jì)與其發(fā)展比較適合在流感病毒藥物方面的研究工作，混合架構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)群因其高效性和節(jié)能性已經(jīng)成為下一代超級(jí)計(jì)算集群的一個(gè)發(fā)展方向。因此，這2個(gè)方面的結(jié)合將是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。該文利用先進(jìn)的CPU+GPGPU混合架構(gòu)超級(jí)計(jì)算集群和分子對(duì)接技術(shù)完成流感病毒藥物神經(jīng)氨酸酶抑制劑設(shè)計(jì)研究工作，具有重要的科研意義。

關(guān)鍵詞：流感病毒 超級(jí)計(jì)算集群 虛擬藥物篩選

中圖分類號(hào)：TP391；R91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（b）-0096-03

近幾十年來(lái)，全球每年有25萬(wàn)～50萬(wàn)人死于流感或流感病毒感染引發(fā)的并發(fā)癥[1，2]。流感病毒變異非常快，而傳統(tǒng)的流感疫苗對(duì)新出現(xiàn)的病毒無(wú)效。所以，亟需治療流感藥物的出現(xiàn)。神經(jīng)氨酸酶（neuraminidase，NA）是分布于流感病毒包膜上的一種糖蛋白，它的突變能直接導(dǎo)致流感病毒的抗原性變異，這也是流感病毒流行的主要原因之一。因此，神經(jīng)氨酸酶是抗流感病毒的重要靶點(diǎn)[3-5]。

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)和制藥公司的高度重視，并取得了一系列的成果，已經(jīng)成為一種與高通量篩選互補(bǔ)的實(shí)用化工具，大大降低了實(shí)驗(yàn)篩選化合物數(shù)量，縮短了研究周期[6，7]。具有強(qiáng)大的并行浮點(diǎn)計(jì)算能力的GPGPU和通用科學(xué)計(jì)算編程模型CUDA平臺(tái)的快速發(fā)展使得GPGPU科學(xué)計(jì)算已經(jīng)用于通用計(jì)算的大量領(lǐng)域，并取得了驕人的成績(jī)[8]。CPU與GPGPU混合架構(gòu)的超級(jí)計(jì)算集群具有高效性和節(jié)能性，在蛋白質(zhì)折疊和藥物虛擬篩選等方面也得到了廣泛使用[9-10]。該文利用CPU+GPGPU的混合架構(gòu)超級(jí)計(jì)算集群和分子對(duì)接技術(shù)完成流感病毒神經(jīng)氨酸酶抑制劑研究工作。

1 材料與方法

1.1 混合架構(gòu)超級(jí)計(jì)算集群的構(gòu)建

選用10個(gè)CPU計(jì)算節(jié)點(diǎn)和1臺(tái)GPU計(jì)算節(jié)點(diǎn)搭建混合架構(gòu)計(jì)算環(huán)境。系統(tǒng)集成了國(guó)際主流的TORQUE作業(yè)管理器與MAUI策略調(diào)度器。通過(guò)設(shè)計(jì)Shell腳本，實(shí)現(xiàn)GPU+CPU資源的管理和調(diào)度，并完成基于GPU架構(gòu)的通用科學(xué)計(jì)算編程模型CUDA平臺(tái)的移植，完成混合架構(gòu)超級(jí)計(jì)算集群的并行計(jì)算環(huán)境的構(gòu)建。

1.2 流感病毒的神經(jīng)氨酸酶的準(zhǔn)備

選擇人類H7N9流感病毒的神經(jīng)氨酸酶NA和藥物奧斯米韋的晶體復(fù)合物，晶體蛋白從PDB數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.rcsb.org/pdb/home/home.do）中獲取，PDB ID為4MWQ。運(yùn)用Discovery Studio刪掉不合理的結(jié)構(gòu)，選擇配體周圍8埃的蛋白作為活性口袋。

1.3 配體的準(zhǔn)備

從ZINC數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//zinc.docking.org/）下載類藥的分子數(shù)據(jù)庫(kù)135 342個(gè)分子，去除結(jié)構(gòu)相同及不合理的分子。

1.4 分子對(duì)接方法

運(yùn)用藥物發(fā)現(xiàn)與生物大分子計(jì)算模擬平臺(tái)Discovery Studio軟件中的LibDock模塊進(jìn)行剛性分子對(duì)接，把準(zhǔn)備好的配體對(duì)接到受體的口袋活性中。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)打分函數(shù)LibDockSorce對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，表1列出了打分前50的化合物和分析了前3的分子結(jié)合模式。

分子的結(jié)合模式如下。

圖1所示為L(zhǎng)ibDockSorce打分函數(shù)前3的小分子與人類H7N9流感病毒神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合模式。其中，圖1（a）為小分子ZINC81841668與神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合圖。ZINC81841668與神經(jīng)氨酸酶共形成4個(gè)氫鍵，分別為Asp152的氧原子（OD1）和ZINC81841668上氮原子（N8）相連的H形成氫鍵，氫鍵的距離為2.1埃；Arg372胍基上氮原子（N）相連的氫和ZINC81841668的氧原子（O12），Arg119胍基上2個(gè)氮原子相連的H與ZINC81841668的氮原子（N18）形成氫鍵。氫鍵能夠很好地穩(wěn)定ZINC81841668在活性口袋中。

（b）為小分子ZINC20514463與神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合圖。它與受體能夠形成5個(gè)氫鍵，分別是ZINC20514463氮原子（N4）上的H分別與Glu279的氧原子（OE2）和Tyr406的氧原子（OH）形成氫鍵，ZINC20514463氧原子（O10）分別以Arg294和Arg372的胍基形成3個(gè)氫鍵。可能由于ZINC20514463的結(jié)構(gòu)較大，結(jié)構(gòu)的兩端不能夠很好地與受體活性口袋匹配而結(jié)合，沒(méi)有ZINC81841668與神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合強(qiáng)。

（c）為小分子ZINC67674276與神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合圖。它與受體形成2個(gè)氫鍵，分別為ZINC67674276氮原子（N15）與Tyr406的氧原子（OH）形成氫鍵和ZINC67674276氮原子（N7）相連的氫與Asp152的氧原子（O）形成氫鍵。

由以上3個(gè)配體與神經(jīng)氨酸酶的結(jié)合模式發(fā)現(xiàn)受體的關(guān)鍵氨基酸為Arg119、Asp152、Glu279、Arg294、Arg372和Try406。這些關(guān)鍵氨基酸與以前的文獻(xiàn)報(bào)道是吻合的，這也說(shuō)明對(duì)接結(jié)果是準(zhǔn)確的。發(fā)現(xiàn)的這些苗頭化合物將為以后發(fā)展神經(jīng)氨酸酶的抑制劑提供了一定的理論研究基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

神經(jīng)氨酸酶是抗流感病毒的重要靶點(diǎn)，其抑制劑扎那米爾（Zanamivir）和奧司他韋（Oseltamivir）已經(jīng)是重要抗流感藥物。基于高性能計(jì)算平臺(tái)的虛擬篩選技術(shù)已經(jīng)成為一種與高通量篩選互補(bǔ)的實(shí)用化工具。而GPGPU在藥物虛擬篩選等方面也得到了廣泛使用，CPU與GPGPU混合架構(gòu)集群計(jì)算也是一個(gè)新興的領(lǐng)域。該文通過(guò)構(gòu)建GPGPU架構(gòu)下計(jì)算環(huán)境與作業(yè)調(diào)度，研究其關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高性能CPU+GPGPU混合架構(gòu)集群在流感病毒藥物神經(jīng)氨酸酶抑制劑設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)3個(gè)小分子是人類H7N9流感病毒神經(jīng)氨酸酶抑制劑的候選化合物，這有助于拓展高性能計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用能力，為新藥的研發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Carragher D M，Kaminski D A，Moquin A，et al.A novel role for non-neutralizing antibodies against nucleoprotein in facilitating resistance to influenza virus[J].Journal of Immunology，2008，181（6）：4168-4176.

[2] Nichol K L，Treanor J J.Vaccines for Seasonal and Pandemic Influenza[J].Journal of Infectious Diseases，2006，194 Suppl 2（194 Suppl 2）：S111-8.

[3] Drescher J，Aron R.Influence of the amino acid differences between the hemagglutinin HA1 domains of influenza virus H1N1 strains on their reaction with antibody[J].J Med Virol， 1999，57（4）：397-404.

[4] 孫一桐，金能智，張海蓉，等.A/H7N9流感病毒神經(jīng)氨酸酶進(jìn)化分析[J].病毒學(xué)報(bào)，2014（1）：44-50.

[5] 金能智，張正權(quán)，孫一桐，等.A/swine/H1N1流感病毒中國(guó)分離株血凝素進(jìn)化分析[J].生物信息學(xué)，2011， 9（3）：250-254.

[6] 楊銘.藥物研究中的分子識(shí)別[M].北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社， 2015.

[7] 胡駿馳.科研信息化；合理藥物設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2016（6）：624-638.

[8] Harvey M J，De Fabritiis G.A survey of computational molecular science using graphics processing units[J].WIREs Comput Mol Sci， 2012，2（5）：734-742.

[9] 徐峻.超算支持下的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)理論與技術(shù)新進(jìn)展[C].中國(guó)化學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，2014.

[10] 吳東保.藥物化合物分子相似性計(jì)算的并行化研究[D].華東理工大學(xué)，2014.